đề tài: nhiễu trong bộ thu quang

Đ ẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯ ỜNG B Ộ MÔN VẬT LIỆU NANO & MÀNG MỎNG NHIỄU TRONG BỘ THU QUANG ẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ỜNG Đ ẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU Ộ MÔN VẬT LIỆU NANO & MÀNG MỎNG BÁO CÁO SEMINAR CHUYÊN NGÀNH Đề tài NHIỄU TRONG BỘ THU QUANG (NOISE IN PHOTODETECTORS) GVHD: ThS. Ngô Hải Đăng SVTH : Võ Hoàng Linh MSSV: 1019257 Tp. Hồ Chí Minh, Năm 2013 ẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Ộ MÔN VẬT LIỆU NANO & MÀNG MỎNG NHIỄU TRONG BỘ THU QUANG Đ ẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯ ỜNG B Ộ MÔN VẬT LIỆU NANO & MÀNG MỎNG NHIỄU TRONG BỘ THU QUANG (NOISE IN PHOTODETECTORS) ẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ỜNG Đ ẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU Ộ MÔN VẬT LIỆU NANO & MÀNG MỎNG BÁO CÁO SEMINAR CHUYÊN NGÀNH Đề tài NHIỄU TRONG BỘ THU QUANG (NOISE IN PHOTODETECTORS) GVHD: ThS. Ngô Hải Đăng SVTH : Võ Hoàng Linh MSSV: 1019257 Tp. Hồ Chí Minh, Năm 2013 ẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Ộ MÔN VẬT LIỆU NANO & MÀNG MỎNG NHIỄU TRONG BỘ THU QUANG Trang 1 MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA Trang MỤC LỤC………………………………………………………………………1 DANH MỤC THUẬT NGỮ VÀ VIẾT TẮT……………………………… 3 DANH MỤC CÁC BẢNG…………………………………………………… 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ…………………………………… 3 LỜI MỞ ĐẦU………………………………………………………………… 5 CHƯƠNG 1 – CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN…………………………………6 CHƯƠNG 2 – NHIỄU QUANG ĐIỆN TỬ……………… ……………… 7 2.1 Nhiễu photon.….…………………………………………………… 7 2.2 Nhiễu quang điện tử………………………………………………… 8 2.3 Nhiễu dòng quang điện……………………………………………….9 CHƯƠNG 3 – NHIỄU TĂNG ÍCH………………………………………….11 3.1 Các thông số giá trị… ……………………………………………….11 3.2 Hệ số nhiễu thừa đối với APD……………………………………… 13 3.3 APD với quá trình phụ thuộc hệ số sự ion hoá……………………….15 CHƯƠNG 4 – NHIỄU MẠCH………………………….…………………….17 4.1 Nhiễu nhiệt……………………………………………………………17 4.2 Tham số nhiễu mạch : điện trở kháng và khuếch đại kháng………….18 CHƯƠNG 5 – TỶ SỐ TÍN HIỆU TRÊN NHIỄU………………………… 20 5.1 Sự phụ thuộc của SNR vào dòng thông lượng quang……………… 22 5.2 Khi việc sử dụng APD để tăng thêm ưu điểm……………………… 23 Trang 2 5.3 Sự phụ thuộc của SNR vào độ tăng ích APD…………………………23 5.4 Sự phụ thuộc của SNR vào dãi vùng máy thu……………………… 24 5.5 Độ nhạy……………………………………………………………….26 CHƯƠNG 6 – TỶ SỐ LỖI BIT VÀ ĐỘ NHẠY…………………………… 27 6.1 Độ nhạy của máy thu quang lý tưởng……………………………… 27 6.2 Độ nhạy của máy thu với nhiễu mạch và nhiễu tăng ích…………… 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………… 32 Trang 3 THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT SNR Signal to noise ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu BER Bit error rate Tốc độ nhiễu bit APD Avalanche photodiode Diode quang thác đỗ RMS Root – mean square DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 6.1 Các loại độ nhạy (trung bình số photon trên bit) của nhiều máy thu quang hoạt động tại tỷ lệ bit trong vùng từ 1 Mb/s đến 2.5 Gb/s. DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Đầu vào và tín hiệu được thu theo các nguồn nhiễu khác nhau đối với (a) một bộ thu quang không có độ tăng ích, chẳng hạn như diode quang p-i-n; và (b) một bộ thu quang có độ tăng ích. Hình 2.1 Dòng quang được tạo ra trong một mạch bộ thu quang bao gồm sự chồng chéo lên nhau của xung dòng điện. Hình 3.1 Mỗi trường hợp quang trong bộ thu quang với độ tăng ích tạo ra một số ngẫu nhiên G l của các hạt mang điện, mỗi hạt mang điện phát sinh từ các xung dòng điện của vùng eG l . Tổng dòng điện trong mạch điện i(t) là sự chồng chéo của các xung này. Hình 3.2 Hệ số nhiễu thừa F đối với APD thông thường với một vùng nhân rộng đồng đều, sự hụt điện tử dưới, như là một hàm của độ tăng ích trung bình   , đối với các giá trị khác nhau của hệ số ion hoá k, đối với sự hụt lỗ trống, 1/k thay thế k. Hình 3.3 Giản đồ vùng năng lượng của APD cấu trúc dị thể ít nhiễu trong điều kiện đảo ngược. Trang 4 Hình 4.1 Điện trở R tại nhiệt độ T được cân bằng đến điện trở ít nhiễu song song với nguồn dòng nhiễu với phương sai   = 〈    〉 ≈ 4/  , ở đây B là dãi vùng mạch điện. Hình 4.2 Mạch thu nhiễu có thể được thay thế bởi mạch máy thu ít nhiễu và nguồn dòng đơn ngẫu nhiên với giá trị RMS σ r tại đầu vào của nó. Hình 4.3 Điện trở kháng máy thu quang. Hình 5.1 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) như hàm của số photoelectron trung bình trên thời gian phân giải máy thu,  =  ɸ/2, đối với diode quang tại hai giá trị của thông số nhiễu mạch σ q . Hình 5.2 So với SNR  =  ɸ/2 đối với máy thu diode quang (đường cong nét liền) và đối với máy thu quang APD với độ tăng ích trung bình  ̅ = 100 và hệ số nhiễu thừa F = 2 (đường nét đứt) được cho từ 5.3. Tham số nhiễu mạch σ q = 100 trong cả hai trường hợp. Đối với dòng thông lượng ánh sáng nhỏ (trường hợp giới hạn nhiễu mạch). SNR của APD cao hơn diode quang. Đối với dòng thông lượng lớn (trường hợp giới hạn nhiễu photon), máy thu diode quang cao hơn máy thu APD. Hình 5.3 Sự phụ thuộc của SNR vào độ tăng ích của APD  ̅ với hệ số ion hoá k khác nhau khi  = 1000 và σ q = 500. Hình 5.4 Đồ thị logarit kép của sự phụ thuộc của SNR vào dãi vùng B đối với ba loại máy thu. Hình 5.5 Đồ thị logarit kép của độ nhạy máy thu   (số photoelectron trung bình tối thiểu trên thời gian phân giải T = 1/2B đảm bảo tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR 0 tối thiểu) vì là hàm của dãi vùng B đối với ba loại máy thu. Đường cong tiệm cận giới hạn nhiễu photon tại giá trị B mà ở đó    ≪   /4. Trong giới hạn nhiễu photon (nếu nhiễu mạch thì không đáng kể),   =   trong mọi trường hợp. Trang 5 Hình 6.1 (a) Đồ thị biểu diễn các lỗi mà kết quả từ sự ngẫu nhiên trong số lượng photon. (b) Tỷ lệ lỗi bit (BER) so với số photon trung bình trên bit   trong hệ thống khoá ON-OFF với máy thu lý tưởng. LỜI MỞ ĐẦU Với sự phát triển vô cùng to lớn của kĩ thuật quang học, việc xác định các loại tín hiệu nói chung và tín hiệu quang nói riêng bằng các thiết bị đo để thu nhận kết quả tín hiệu. Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng có được kết quả như mong muốn từ các loại thiết bị đo. Nguyên nhân của việc này là do sự ảnh hưởng từ các yếu tố đến kết quả đo, trong đó nhiễu là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả đo. Trong bài báo cáo này, chúng ta sẽ tìm hiểu về nhiễu đối với bộ thu quang học (Photodetector) để làm rõ các nguyên nhân và các nguồn gây ra nhiễu để tù đó tìm ra các biện pháp để làm giảm nhiễu từ các bài toán, các phương trình đại số, từ các hàm phân bố cũng như tìm ra các quy luật tính toán để tìm các loại linh kiện quang phù hợp cho máy thu quang như photodiode, APD,… nhằm làm giảm tối thiểu các yếu tố gây ra nhiễu để có được kết quả như mong muốn. Trang 5 CHƯƠNG 1 – CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Photodetector là bộ thu phản ứng lại với dòng thông lượng photon hoặc công suất quang. Ta biết rằng, dòng ánh sáng ɸ (công suất quang P=hnɸ) làm phát sinh dòng điện tỷ lệ i p =eɸ=RP. Tuy nhiên, trong thực tế dòng điện tạo ra trong thiết bị là một số ngẫu nhiên I, mà giá trị của nó biến đổi trên dưới giá trị trung bình của nó ̅=i  = eɸ = RP. Sự thay đổi của I thường được coi là nhiễu, được đặc trưng bởi chênh lệch giữa các σ i , ở đó    = 〈 (−  ̅) 〉  . Đối với dòng bằng không (̅= 0) có nghĩa là độ lệch chuẩn giảm đến giá trị hiệu dụng của dòng,   = 〈    〉    . Một số nguồn nhiễu thường có trong quá trình thu nhận photon:  Nhiễu photon: nguồn cơ bản nhất của nhiễu có liên quan đến các yếu tố khách quan ngẫu nhiên của chính các photon.  Nhiễu photoelectron: trong máy thu ánh sáng với hiệu suất lượng tử  < 1, một photon tạo ra một cặp lỗ trống – quang điện tử với xác suất  và không thực để làm thế với hiệu suất 1 - . Bởi vì quá trình tạo ra hạt tải photon là ngẫu nhiên, đó là một nguồn nhiễu.  Nhiễu gain: quá trình khuếch đại mà nó là các hạt có sẵn ở bên trong photodetectors, chẳng hạn như photoconductors và ADPs, là ngẫu nhiên. Mỗi photon được phát hiện ra tạo ra những hạt mang ngẫu nhiên G, với giá trị trung bình ̅ . Hạt dao động phụ thuộc vào bản chất của cơ chế khuếch đại.  Nhiễu mạch thu: các thành phần khác nhau trong mạch điện của máy thu quang, chẳng hạn như điện trở và bóng bán dẫn góp phần vào sự nhiễu mạch thu. Bốn nguồn nhiễu này được minh hoạ bằng đồ thị 1.1. Khi cho tín hiệu vào detector(đưa tín hiệu quang vào) đã liên kết với sự nhiễu bên trong. Hiệu ứng photon chuyển photon thành photoelectron. Trong quá trình này, tín hiệu trung bình giảm bởi  (hiệu ứng lượng tử). Liên kết nhiễu photoelectron cũng giảm, nhưng bằng một số lượng ít hơn so với tín hiệu. Do đó tỷ số tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu Trang 6 photoelectron thì thấp hơn tỷ số nhiễu của tín hiệu photon tới. Nhiễu mạch góp phần vào việc phát hiện tín hiệu. Nếu cơ chế thu nhận photodetector được thực hiện, nó sẽ khếch đại cả hai tín hiệu nhiễu và photoelectron, nó đưa ra nhiễu tăng ích của chính nó. Cuối cùng, nhiễu mạch được đưa vào tại điểm của sự thu thập dòng. Khi các thành phần trong hệ thống truyền thông tin, máy thu quang có thể được đặc trưng bởi sự biểu diễn theo các thước đo:  Tỷ số tín hiệu trên nhiễu(SNR) của sự biến đổi ngẫu nhiên được định nghĩa như là tỷ số của bình phương của nó trên phương sai của nó. Do đó SNR của dòng i là  =  ̅     trong khi SNR của số photon là  =       .  Tín hiệu ghi nhận tối thiểu được định nghĩa như thước đo tín hiệu mà năng suất SNR hợp lại.  Hệ số nhiễu thừa F của sự biến đổi ngẫu nhiên được định nghĩa là tỷ số của bình phương trung bình trên trung bình bình phương của nó. Do đó hệ số nhiễu thừa của photodetector tăng ích G là  = 〈    〉  〈   〉   .  Tỷ lệ lỗi bit (BER) được định nghĩa là xác suất lỗi trên bít trong máy thu quang số. Trang 7  Độ nhạy máy thu được định nghĩa như tín hiệu mà nó liên quan đến giá trị quy định của tỷ số tín hiệu trên nhiễu, SNR = SNR o . Trong khi tín hiệu ghi nhận tối đa liên quan đến độ nhạy máy thu mà nó thoả mãn SNR o = 1, giá trị cao hơn của SNR o thường được cụ thể để đảm bảo cho mức chính xác(ví dụ SNR o = 10 – 10 3 tương ứng với 10 – 30 dB). Đối với hệ thống số, độ nhạy máy thu được định nghĩa như năng lượng quang tối thiểu( hoặc liên quang đến số trung bình các photon) trên bit được yêu cầu để đạt được quy định tỷ lệ lỗi bit, mà nó thường đặt là BER = 10 -9 . Chúng ta bắt đầu bằng cách bắt nguồn từ tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu đối với máy tách sóng quang với bốn nguồn nhiễu này. Các nguồn nhiễu khác mà chúng ta không xem xét kỹ là nhiễu Backgroung và nhiễu dark-current. Nhiễu Backgroung là nhiễu photon liên hệ đến ánh sáng từ các nguồn quang không liên quan mà nó đến máy tách sóng(bao gồm các nguồn khác so với hơn so với tín hiệu cần quan tâm, chẳng hạn như ánh sáng mặt trời và ánh sáng của các ngôi sao). Nhiễu phông thì đặc biệt có hại trong các hệ thống dò mà nó hoạt động trong vùng phổ giữa và hồng ngoại xa bởi vì bức xạ nhiệt dồi dào phát ra ở các bước sóng bởi các vật thể ở nhiệt độ phòng. Các photodectors cũng tạo ra nhiễu dòng tối, như tên của nó, ngay cả trong trường hợp không có ánh sáng. Nhiễu dòng tối là kết quả từ việc các cặp điện tử-lỗ trống ngẫu nhiên được tạo ra bằng nhiệt hoặc bằng cách chui hầm. Cũng bỏ qua các dòng rĩ và nhiễu 1/f. CHƯƠNG 2 – NHIỄU QUANG ĐIỆN TỬ 2.1 Nhiễu photon Như đã được mô tả trong phần dòng quang (stream), dòng quang liên hệ với công suất quang cố định thì vốn dĩ không chắc chắn. Dòng quang trung bình là F = P/hn (photon/s), nhưng số lượng thay đổi ngẫu nhiên theo định luật xác suất mà nó phụ thuộc vào bản chất của nguồn sáng. Số photon n được tính trong một khoảng thời gian T như vậy là ngẫu nhiên với giá trị trung bình  = F . Đối với ánh sáng từ nguồn laser lý tưởng, hoặc từ nguồn nhiệt của vùng phổ rộng lơn hơn nhiều so với [...]... Thông số mạch nhiễu được định nghĩa bằng công thức 4.5 thì do đó: = 4.6 Mà nó tỷ lệ nghịch với square-root của dãi vùng B Một máy thu được thiết kế tốt bộ khuếch đại nhiễu thấp có hiệu suất thông số mạch nhiễu thấp hơn máy thu điện trở kháng Xét máy thu sử dụng bộ khuếch đại FET Nếu nhiễu phát sinh từ điện trở đầu vào cao của bộ khuếch đại có thể được bỏ qua, máy thu bị cản trở bởi nhiễu nhiệt trong kênh... tập trung vào các nguồn khác nhau của nhiễu mạch (nhiễu nhiệt trong điện trở cũng như nhiễu trong transistor và các thiết bị mạch điện khác) vào trong một nguồn dòng điện ngẫu nhiên duy nhất ir, tại đầu vào máy thu mà nó tạo ra cùng một nhiễu tổng tại đầu ra máy thu (hình 4.2) Giá trị trung bình của ir là không trong khi phương sai phụ thu c nhiệt dộ, dãi vùng máy thu, thông số mạch điện và loại thiết... thông số mạch nhiễu = = 4.5 Ở đó B là dãi vùng máy thu và T= 1/2B là thời gian phân giải của máy thu Vì σr là giá trị RMS của dòng nhiễu, σr/e là thông lượng điện tử RMS (electron/s) phát sinh từ nhiễu mạch điện và σq = (σr/e)T, do đó biểu diễn số RMS của mạch nhiễu điện tử trong thời gian T Thông số mạch nhiễu σq là một con số đáng tin cậy mà đặc điểm số lượng dòng máy thu quang Một máy thu quang bao... ra bởi mạch điện điện tử liên quan đến máy thu quang Kết quả nhiễu mạch từ sự chuyển động nhiệt của các hạt mang điện tích trong các điện trở và các yếu tố tiêu tán khác (nhiễu nhiệt), và từ sự biến đổi của các hạt mang điện tích trong các transistor được sử dụng trong các máy thu khuếch đại 4.1 Nhiễu nhiệt Nhiễu nhiệt (cũng được gọi là nhiễu Johnson hoặc nhiễu Nyquist) phát sinh từ sự chuyển động... phụ thu c của SNR vào dãi vùng máy thu Trang 24 Sự liên hệ giữa SNR và dãi vùng B được ngầm định trong 5.1 Nó được điều chỉnh bởi sự phụ thu c của phương sai dòng mạch nhiễu a Máy thu điện trở kháng trưng bày vào B Xét ba máy thu: ∞ [xem 4.4] để mà ∞1/ 5.8 Máy thu khuếch đại FET tuân theo σq  B1/2 [xem 4.7] để mà σr = 2eBσq  b 3/2 B Điều này cho phép sự phụ thu c của SNR vào B trong 5.1 giả thuyết... ≪ Giới hạn photon nhiễu ( Giới hạn mạch nhiễu ( ≫ ): ): = = 5.12 5.13 Khi sử dụng 5.11 để xác định độ nhạy máy thu, cần phải nhớ rằng thông số mạch nhiễu σq, nhìn chung, một hàm của dãi vùng B, theo đó: Máy thu trở kháng: ∞1/√ Bộ khuếch đại FET: ∞√ Bộ khuếch đại lưỡng cực transistor: σq không phụ thu c B Đối với các máy thu này, độ nhạy phụ thu c vào dãi vùng B như được minh hoạ trong hình 5.5 Việc... tín hiệu trên nhiễu măc dù có bộ khuếch đại Việc này hữu dụng để viết SNR trong 5.1 trong các số hạng của số trung bình của photon được thu trong khoảng thời gian phân giải của máy thu T = 1/2B, = ɸ = ɸ 5.2 Và thông số nhiễu mạch điện σq = σr/2Be Kết quả là: = ̅ ̅ 5.3 Phương trình 5.3 là cách giải thích đơn giản Tử số là bình phương của số trung bình của photoelectron được thu khuếch đại trong thời... thu quang bao gồm một photodiode trong một loạt các điện trở tải RL được theo bởi một bộ khuếch đại, được minh hoạ trong hình 4.3 Trang 19 Máy thu đơn giản này được nói đến như là điện trở kháng nếu mạch nhiễu dòng điện phát sinh từ nhiễu nhiệt trong điện trở tải là rất đáng kể đóng góp từ các nguồn nhiễu khác Bộ khuếch đại sau đó có thể được xem như là noiseless và mạch nhiễu dòng điện trung bình bình... tần số trong dãi vùng B của mạch điện Trang 17 =∫ ( ) 4.3 ≈4 / 4.4 Đối với B . LIỆU NANO & MÀNG MỎNG NHIỄU TRONG BỘ THU QUANG Đ ẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯ ỜNG B Ộ MÔN VẬT LIỆU NANO & MÀNG MỎNG NHIỄU TRONG BỘ THU QUANG (NOISE IN PHOTODETECTORS) . với (a) một bộ thu quang không có độ tăng ích, chẳng hạn như diode quang p-i-n; và (b) một bộ thu quang có độ tăng ích. Hình 2.1 Dòng quang được tạo ra trong một mạch bộ thu quang bao gồm sự. 2 – NHIỄU QUANG ĐIỆN TỬ……………… ……………… 7 2.1 Nhiễu photon.….…………………………………………………… 7 2.2 Nhiễu quang điện tử………………………………………………… 8 2.3 Nhiễu dòng quang điện……………………………………………….9 CHƯƠNG 3 – NHIỄU